直流电机的基本理论

关于直流电机的基本理论3.1直流电机的工作原理1直流发电机的工作原理（由右图看基本组成）输出电压eeNSAB12FF+-直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。e=Blv;用右手定则判感应电动势e的方向;电枢绕组电阻Ra;第2页,共27页，2024年2月25日，星期天2直流电动机的工作原理（由下图说组成）直流电动机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的。f=Bli;用左手定则判电磁力f的方向：由左手定则，通电线圈在磁场力的作用下，使线圈逆时针旋转E+–NS电刷换向片IaIaAB12电枢线圈注意：换向片和线圈固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。第3页,共27页，2024年2月25日，星期天3.2直流电机的基本结构和额定值3.2.1直流电机的基本结构：由两部分构成第4页,共27页，2024年2月25日，星期天1.额定电压UN

指输出电压或输入电压的额定值（线电压）。2.额定电流IN

指输出电流或输入电流的额定值（线电流）。3.额定功率PN

发电机的PN

：指输出电功率的额定值(UNIN)

。电动机的PN

：指输出机械功率的额定值(UNINηN)

。4.额定转速nN5.额定状态：指U、I、P、n均为额定值的状态。6满载状态：指I=IN的状态。3.2.2直流电机的额定值第5页,共27页，2024年2月25日，星期天3.4直流电机的电枢绕组（了解）1直流电机的电枢绕组的5种形式：单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、混合绕组。2直流电机中实现机电能量转换的耦合介质：气隙磁场3直流电机利用气隙磁场实现机电能量转换的两个要素：感应电动势和电磁转矩第6页,共27页，2024年2月25日，星期天3.4直流电机的磁场他励电机：励磁绕组与电枢绕组的电源分开。并励电机：励磁绕组与电枢绕组并联到同一电源上。串励电机：励磁绕组与电枢绕组串联接到同一电源上。复励电机：励磁绕组与电枢绕组的联接有串有并，接在同一电源上。M并励UIfM串励UM复励U3.4.1、直流电机的励磁方式（电枢与绕组的连接关系）M他励UfIfIaU第7页,共27页，2024年2月25日，星期天3.4.2、直流电机的空载磁场（了解）3.4.3、直流电机的负载磁场和电枢反应（了解）电枢反应：电机带负载时，电枢磁场对主磁极磁场所产生的影响。电枢反应的结果：（1）气隙磁场的分布发生畸变；（2）每极磁通量下降；第8页,共27页，2024年2月25日，星期天3.5直流电机的感应电动势和电磁转矩（重点）3.5.1电枢绕组的电动势（计算公式）

3.5.2电枢绕组的电磁转矩（计算公式）第9页,共27页，2024年2月25日，星期天题:一台直流发电机，2p=4（单波绕组），电枢绕组的元件数S=162，每个元件匝数Wa=2，每极磁通Ø=5.1×10-3Wb，转速n=1450r/min,试求：电枢感应电动势Ea。

解：由于单波绕组支路，所以a=1，总导体数N=2SWa=648，方向：在发电机中，感应电动势的方向与电枢电流的方向相同；在电动机中，感应电动势的方向与电枢电流的方向相反；在发电机中，电磁转矩为制动转矩；在电动机中，电磁转矩为拖动转矩；第10页,共27页，2024年2月25日，星期天3.6直流电动机稳态运行时的基本方程式和工作特性（重点)3.6.1直流电动机稳态运行时的基本方程式（电压、转矩、功率）1电压平衡方程式2转矩平衡方程式EaMIf+U

－+U

－Ia励磁电路：U

=Rf

If电枢电路：U=Ea+Ra

IaU：端电压；Ea

：电枢电动势；Ra

：电枢回路电阻；Rf

：励磁回路电阻；U>Ea时：电动机；U<Ea时：发电机；T＝T0+TLT：电磁转矩（拖动转矩）；T0：电动机空载损耗转矩（制动转矩）；TL

：电动机输出转矩（制动转矩）；第11页,共27页，2024年2月25日，星期天P1PMP2pCuP0＝pFe+pm+ps功率角速度转矩3功率平衡方程式第12页,共27页，2024年2月25日，星期天M他励UfIfIaU

M串励U

M复励U

M并励UIf

第13页,共27页，2024年2月25日，星期天题1：已知一台他励直流电动机的数据为PN＝75kW，UN＝220V，IN＝383A，nN＝1500r/min,电枢回路总电阻Ra＝0.0192Ω，忽略磁路饱和的影响。求额定运行时：（1）电磁转矩；（2）输出转矩；（3）输入功率；（4）效率。解：电枢感应电动势为：Ea＝UN－INRa＝220-383×0.0192＝212.646V电磁功率为：PM＝EaIN＝212.646×383＝81443W电磁转矩为：T＝PM/Ω＝9.55PM/n＝9.55×(81443/1500)＝518.5N·m输出转矩为：T2＝PN/Ω＝9.55PN/n＝9.55×(75000/1500)＝477.5N·m输入功率为：P1＝UIN

＝220×383＝84260W效率为：η＝P2/P1＝75000/84260＝89%第14页,共27页，2024年2月25日，星期天3.6.2直流电动机的工作特性当电枢电压为额定电压U=UN,电枢回路中无外加电阻，励磁电流为额定励磁电流时,电动机转速n、电磁转矩T和效率随电枢电流Ia而变化的关系,称为直流电动机的工作特性。（2）转矩特性（3）效率特性1、并励直流电动机的工作特性（特点：I=Ia+If,U=Ea+IaRa）（1）转速特性（电动势公式、电压平衡方程式）第15页,共27页，2024年2月25日，星期天2、串励直流电动机的工作特性串励UIf+_IaMEaRaRf（特点：I=Ia=If;U=Ea+Uf;）(1)转速特性（2）转矩特性（3）效率特性第16页,共27页，2024年2月25日，星期天（2）并励直流电动机的励磁绕组可否允许开路运行？为什么？（3）串励直流电动机可否允许空载运行？为什么？不允许。空载或负载很小时，电机转速将很高，实际可能达到危险的高速（“飞速”），它将导致电枢损坏。（1）与并励电动机相比，串励电动机的优点：对于相同的转矩变化量，串励电动机的电枢电流变化量小；对于允许最大的电枢电流，串励电动机可以产生较大的电磁转矩。不能。当励磁绕组开路后，电枢绕组上不再产生反电动势,电阻很小.整个电路就相当于电源和电枢线圈直接行成一个通路了。烧断电枢（转子）甚至烧毁电源。3.复励直流电动机的工作特性积复励、差复励。(1)有较大的Tst。(2)可以空载运行。机械特性MIaIf+U－I第17页,共27页，2024年2月25日，星期天3.7他励直流电动机的机械特性方程式（重点）第18页,共27页，2024年2月25日，星期天解：（1）（2）理想空载转速为额定输出转矩为空载转矩为空载电流为实际空载转速为（3）题2：一台他励直流电动机的额定数据为PN＝17kW，UN＝220V，nN＝1000r/min，IN＝92A，电枢绕组的电阻Ra＝0.2Ω，电刷压降2△Ub＝2V。试计算：（1）电动机的额定电磁转矩。（2）理想空载转速和实际空载转速。（3）电动机的输出转矩保持为额定值不变，在电枢回路中串入0.3Ω电阻，求电动机转速。第19页,共27页，2024年2月25日，星期天+Ua－GIf+Uf－EIa3.8直流发电机稳态运行时的基本方程式和工作特性（励磁方式）3.8.1直流发电机稳态运行时的基本方程式1.电压平衡方程式2.转矩平衡方程式3.功率平衡方程式（公式计算法、关系推算法）P1Pm+PsPFePMPCuP2

输入的机械转矩T1=空载转矩T0+电磁转矩T第20页,共27页，2024年2月25日，星期天题3：一台四极复励直流发电机的额定数据为PN＝6kW，UN＝220V，nN＝1450r/min，电枢绕组的电阻Ra75℃＝0.92Ω，并励回路电阻Rf75℃＝177Ω，电刷压降2△Ub＝2V，空载损耗P0＝pFe+pm+ps＝355W。试求额定负载下的电磁功率、电磁转矩及效率。解：电磁转矩为额定负载时发电机的输入功率为效率为第21页,共27页，2024年2月25日，星期天3.8.2直流发电机的运行分析并励直流发电机的自励过程和自励条件1自励过程：并励发电机建立电压的过程。2、自励条件：满足建压的条件。1234电机有剩磁，极性正确→气隙磁场得到加强→电枢绕组电势增加→励磁电流增加→经不断反复→电机端电压建立起来。1）电机必须有剩磁。

2）励磁绕组与与电枢并联的极性正确。3）励磁回路的电阻小于（与电机运行转速下相对应的）临界电阻。第22页,共27页，2024年2月25日，星期天思考题1-7（成信PPT上的题目）：1、在直流电机中，换向器起什么作用？在直流发电机中，换向器起整流的作用；在直流电动机中，换向器起逆变的作用；2、在下列情况下，直流发电机电刷两端电压的性质？1)、磁极固定，电刷与电枢同时旋转。2)、电枢固定，电刷与磁极同时旋转。1）交流。电刷与电枢间相对静止，电刷两端的电压性质与电枢的相同。

2）直流。电刷与磁极间相对静止，电刷总是引出某一极性下的电枢电压，而电枢不动，磁场方向不变。

3、下列哪种情况可以使连接在电网上的直流电机逆变为发电机？1)、加大励磁电流，使磁通增加，并使Ea>U。2)、在电机轴上外加一转矩，使其转速上升，并使Ea>U。4、并励直流发电机正转时能自励，反转能否自励？为什么?应如何处理？第23页,共27页，2024年2月25日，星期天5、如何判断直流电机是运行于发电状态还是电动状态？它们的电磁转矩、转速、电枢感应电势、电枢电流和端电压的方向有何不同？能量转